DE568888C

DE568888C - Device for the protection of high-voltage networks with earthed zero point against earth faults

Info

Publication number: DE568888C
Application number: DES75066D
Authority: DE
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1925-07-02
Filing date: 1926-06-26
Publication date: 1933-01-25

Description

Es ist bekannt, die Unterstationen elektrischer Hochspannungsnetze mit Relais auszurüsten, die im Falle eines Erdschlusses nur den fehlerhaften Teil des Netzes abschalten, so daß die vom Erdschluß nicht betroffenen Stationen in Tätigkeit bleiben können. Unter der Voraussetzung, daß der Nulleiter des Netzes in der Erzeugerstation geerdet ist, eignen sich für diesen Zweck insbesondere diejenigen Relais, die sowohl vom Strom wie von der Spannung der Leitung des Netzes beeinflußt werden.It is known to equip the substations of electrical high-voltage networks with relays, which only switch off the faulty part of the network in the event of an earth fault, so that the stations not affected by the earth fault can remain in operation. Provided, that the neutral conductor of the network is earthed in the generating station are suitable for this purpose in particular those relays that operate from both current and voltage the management of the network are affected.

Um nun die hohen Kosten der Spannungswandler für die Hochspannung zu vermeiden, hat man bereits vorgeschlagen, die Spannungswicklung der Relais an die Niederspannungswicklung der in den Unterstationen aufgestellten Lasttransformatoren anzuschließen. Hier besteht jedoch die Schwierigkeit, daß für den Fall eines Erdschlusses der Nulleiter in der ungeerdeten Unterstation ein verändertes Potential annimmt. Wenn daher die Relais direkt an die Sekundärwicklung der Lasttransformatoren angeschlossen werden, so werden sie falsch erregt und verlieren ihre Selektivität. Gemäß der Erfindung wird deshalb die Spannungswicklung nicht nur von der zugehörigen sekundären Phase des Lasttransformators erregt, sondern es wird ihr auch eine von zwei anderen sekundären Phasen abhängige zusätzliche Spannung zugeführt, die der Nullpunktsverschiebung entspricht, so daß die obenerwähnte Schwierigkeit überwunden wird.In order to avoid the high costs of voltage converters for high voltage, it has already been proposed to connect the voltage winding of the relay to the low voltage winding of the one installed in the substations Connect load transformers. However, there is a problem here that in the event a ground fault of the neutral conductor in the unearthed substation a changed potential accepts. Therefore, if the relays are connected directly to the secondary winding of the load transformers they will be falsely aroused and lose their selectivity. According to the invention, therefore, the voltage winding not only excited by the associated secondary phase of the load transformer, but it also gives it an additional voltage dependent on two other secondary phases supplied which corresponds to the zero point shift, so that the above-mentioned difficulty is overcome.

In den beiliegenden Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt. Abb. 1 zeigt das Schaltungsschema einer Ausführungsform der Erfindung, Abb. 2 und 3 sind Vektordiagramme, welche die Spannungen in einem Teil des Netzes gemäß Abb. 1 im ordnungsgemäßen Zustande und in fehlerhaftem Zustande darstellen. Abb. 4 ist ein Vektordiagramm, das die zugrunde liegende Erfindungsidee darstellt. Abb. 5 ist das Schaltschema einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Abb. 1 stellt ein elektrisches Verteilungsnetz dar mit einem Drehstromerzeuger 1, der über den Transformator 2 mit den drei Phasen A₁ B, C des Netzes 3 verbunden ist. Das Netz 3 hat beträchtliche Länge; an verschiedenen Punkten sind Unterstationen angeordnet mit Transformatoren 4, welche die Abnehmernetze mit verhältnismäßig geringer Spannung speisen.Two exemplary embodiments are shown in the accompanying drawings. Fig. 1 shows the circuit diagram of an embodiment of the invention, Figs. 2 and 3 are vector diagrams showing the voltages in a part of the network according to Fig. 1 in the correct state and in the faulty state. Fig. 4 is a vector diagram illustrating the underlying idea of the invention. Fig. 5 is the circuit diagram of a second embodiment of the invention. Fig. 1 shows an electrical distribution network with a three-phase generator 1, which is connected to the three phases A ₁ B, C of the network 3 via the transformer 2. The network 3 is of considerable length; Substations with transformers 4, which feed the consumer networks with a relatively low voltage, are arranged at various points.

Die Unterstationen sind mit Schaltern 5 ausgerüstet, um die einzelnen Abschnitte des Netzes im Falle eines Fehlers abzutrennen. Sie werden gesteuert von einer genügenden Anzahl von Distanzrelais 6. Ein ähnlicher Satz von Distanzrelais ist in jeder Unterstation vorhanden, die auch ebenso angeschlossen sind, wie in der Abbildung gezeigt.The substations are equipped with switches 5 to switch the individual sections of the Disconnect the network in the event of an error. They are controlled by a sufficient one Number of distance relays 6. A similar set of distance relays is in each substation available, which are also connected as shown in the figure.

Jedes Relais 6 hat einen Strommagneten 7,Each relay 6 has a current magnet 7,

eine von ihm angetriebene Ferrarisscheibe 8 und einen beweglichen Kontakt 9, der mit der Ferrarisscheibe über eine Spiralfeder 10 in Verbindung steht. Ein Solenoid 11 hält den beweglichen Kontakt 9 so lange fest, bis das Drehmoment der Ferrarisscheibe das Übergewicht gewinnt. Durch den Kontakt 9 wird die Auslösespule 12 der Schalter 5 an eine Stromquelle gelegt, so daß die Strecke abgeschaltet wird.a Ferrari disk 8 driven by it and a movable contact 9, which is connected to the Ferraris disc is connected via a spiral spring 10. A solenoid 11 holds the movable one Contact 9 tight until the torque of the Ferrari disk makes it overweight wins. Through the contact 9, the trip coil 12 of the switch 5 is connected to a Power source placed so that the line is switched off.

Der Strommagnet 7 eines jeden Relais 6 ist an die Leitung 3 so angeschlossen, daß er entsprechend dem in einer der drei Phasen A, B oder C fließenden Strom erregt wird. Ein Stromwandler (in der Zeichnung nicht dargestellt) kann zur Erregung des Strommagneten jedes Relais verwendet werden. Wenn auch das Netz 3 unter Hochspannung steht, so macht es doch keine Schwierigkeiten, die Stromwandler ausreichend zu isolieren. Die Spannungswicklung 11 an dem Relais 6 muß jedoch entsprechend der Größe der Netzspannung erregt werden, und die Kosten von Spannungswandlern für Kraftübertragungsnetze der gebräuchlichen Art sind sehr hoch. Aus diesem Grunde sind die Spannungswicklungen 11 über einen Spannungswandler 16 für verhältnismäßig geringe Spannung an die Niederspannungsseite des Leistungstransformators 4 angeschlossen. Da jedoch der Leistungstransformator nicht geerdet ist, verändert der Nullleiter der Sekundärwicklung sein Potential, wenn ein Erdschluß in der Leitung 3 entsteht. Wenn die Vektoren AB, BC und CA in Abb. 2 die verketteten Spannungen des Netzes 3 im ordnungsgemäßen Zustande darstellen, so fällt, wenn der Leiter B von einem Erdschluß etwa bei 17 betroffen wird, das Potential des Leiters B mit dem des Nullpunktes 0 zusammen, und die Lage des Nullpunktes im Sekundärkreise des Transformators 4 verschiebt sich nach O₁, wie in Abb. 3 dargestellt.The current magnet 7 of each relay 6 is connected to the line 3 in such a way that it is excited in accordance with the current flowing in one of the three phases A, B or C. A current transformer (not shown in the drawing) can be used to energize the current magnet of each relay. Even if the network 3 is under high voltage, it is not difficult to isolate the current transformer sufficiently. The voltage winding 11 on the relay 6 must, however, be energized in accordance with the magnitude of the mains voltage, and the costs of voltage converters for power transmission networks of the conventional type are very high. For this reason, the voltage windings 11 are connected to the low-voltage side of the power transformer 4 via a voltage converter 16 for a relatively low voltage. However, since the power transformer is not grounded, the neutral conductor of the secondary winding changes its potential if a ground fault occurs in line 3. If the vectors AB, BC and CA in Fig. 2 represent the linked voltages of the network 3 in the correct state, then if the conductor B is affected by an earth fault at around 17, the potential of the conductor B and that of the zero point 0 will coincide , and the position of the zero point in the secondary circuit of the transformer 4 shifts to O ₁ , as shown in Fig. 3.

Wenn der Erdschluß einen größeren Widerstand enthält oder wenn der Nullpunkt des Netzes über einen Widerstand an Erde gelegt ist, wie es bisweilen üblich ist, so wird die Lage des Nullpunktes O₁ von der Zeichnung abweichen, wird aber immerhin von der normalen erheblich verschieden sein. Wenn daher dasjenige Relais 6, von dem die fehlerhafte Phase überwacht wird, unmittelbar an die Sekundärwicklung des Transformators 4 angelegt wäre, so würde es nicht entsprechend dem Potential der geerdeten Phase B erregt werden. In der Zentrale sind Relais 19 und in der benachbarten Unterstation Relais 18 angeordnet; die Relais 18 sind in derselben Weise geschaltet wie die Relais 6. Die Relais 6, 18 und 19 haben praktisch dieselbe Verzögerung und arbeiten im Falle eines Fehlers entsprechend der Entfernung des Fehlers. Wenn z. B. der Fehler , zwischen den beiden dargestellten Stationen liegt, wie bei 17 dargestellt, so ist die an der betroffenen Phase auftretende Spannung in der der Zentrale nächstgelegenen Unterstation ge- 6g ringer als die in der Zentrale selbst infolge des Spannungsverlustes der Leitung. Der verzögernde Einfluß der Spannungswicklung 11 ist daher geringer als derjenige der Spannungswicklung des Relais 19. In der betroffenen Phase arbeitet daher das Relais 6 zuerst, und der Schalter 5 wird geöffnet. Damit ist der vom Fehler betroffene Teil des Netzes abgeschaltet, ohne daß der Transformator 4 in der der Zentrale nächstgelegenen Unterstation ausfällt.If the earth fault contains a greater resistance or if the zero point of the network is connected to earth via a resistor, as is sometimes the case, the position of the zero point O _{1 will} deviate from the drawing, but will at least be considerably different from the normal one. Therefore, if that relay 6 by which the defective phase is monitored were applied directly to the secondary winding of the transformer 4, it would not be energized in accordance with the potential of the earthed phase B. Relays 19 are arranged in the control center and relays 18 in the neighboring substation; the relays 18 are switched in the same way as the relays 6. The relays 6, 18 and 19 have practically the same delay and, in the event of a fault, operate according to the distance of the fault. If z. If, for example, the error is between the two stations shown, as shown at 17, the voltage occurring in the affected phase in the substation closest to the control center is lower than that in the control center itself due to the loss of voltage in the line. The retarding influence of the voltage winding 11 is therefore less than that of the voltage winding of the relay 19. In the phase concerned, the relay 6 therefore works first and the switch 5 is opened. This means that the part of the network affected by the fault is switched off without the transformer 4 in the substation closest to the control center failing.

Um jedoch diese selektive Wirkung der Relais zu erzielen, ist es notwendig, die Erregung der Spannungswicklungen zu korrigieren, wenn die Relais in der dargestellten Weise an einen Teil des Netzes angeschlossen sind, der keinen festen Nullpunkt hat. Zu diesem Zweck sind eine Reihe regelbarer Impedanzen 20, 21 und 22 vorgesehen, die in Reihe ^ mit den Spannungswicklungen 11 der Relais 6 liegen, Jede der Impedanzen 20, 21 und 22 . enthält einen regelbaren Ohmschen Widerstand 23 und einen regelbaren induktiven Widerstand 24, die jedoch mit einer Sekundärwicklung 25 eines Transformators verbunden sind, dessen Primärwicklung 26 an eine der Sekundärwicklungen des Spannungswandlers 16 angeschlossen ist. In die Stromkreise sind noch Vorschaltwiderstände 27 gelegt, um die durch diese Transformatoren fließenden Ströme ihrer Größe und Phase nach zu regeln. Die Teile der Impedanzen 20, 21 und 22, die im Stromkreise liegen, sind derart, daß die den Wicklungen 11 insgesamt zugeführte Spannung den an den Netzleitern A₁B₁C herrschenden Spannungen entspricht.However, in order to achieve this selective action of the relays, it is necessary to correct the excitation of the voltage windings when the relays are connected in the manner shown to a part of the network that does not have a fixed zero point. For this purpose, a series of controllable impedances 20, 21 and 22 are provided, which are in series with the voltage windings 11 of the relay 6, each of the impedances 20, 21 and 22. contains a controllable ohmic resistor 23 and a controllable inductive resistor 24, which are, however, connected to a secondary winding 25 of a transformer, the primary winding 26 of which is connected to one of the secondary windings of the voltage converter 16. Ballast resistors 27 are also placed in the circuits in order to regulate the size and phase of the currents flowing through these transformers. The parts of the impedances 20, 21 and 22 which are in the circuit are such that the total voltage supplied to the windings 11 corresponds to the voltages prevailing on the mains conductors A ₁ B ₁ C.

Die Primärwicklungen 26 der Transformatoren, welche die Impedanzen erregen, liegen an den beiden anderen Phasen des Netzes. So spricht beispielsweise das oberste Relais 6 auf Fehler in der Leitung A an, da die Spannungswicklung des Relais über die Impedanz 21, die sekundärseitig an den mittleren Transformator angeschlossen ist, zur Phase A führt. Die Primärwicklung 26 des mittleren Transformators ist an die Phasen B und C angeschlossen, die von einem Fehler in. der Phase A nicht betroffen werden. Folglich wird das Potential, das dem Transformator für das in Wirkung tretende Relais 6 zugeführt wird, durch den Erdschluß im Hauptnetz nicht betroffen. Mehrphasige Erdschlüsse haben dieselbe Wirkung wie Kurzschlüsse und werden durch den üblichen Kurzschlußschutz überwacht, der hier nicht mit dargestellt ist.The primary windings 26 of the transformers, which excite the impedances, are connected to the other two phases of the network. For example, the top relay 6 responds to faults in line A , since the voltage winding of the relay leads to phase A via impedance 21, which is connected to the middle transformer on the secondary side. The primary winding 26 of the middle transformer is connected to phases B and C , which are not affected by a fault in phase A. Consequently, the potential which is fed to the transformer for the relay 6 coming into effect is not affected by the earth fault in the main network. Multi-phase earth faults have the same effect as short circuits and are monitored by the usual short circuit protection, which is not shown here.

In Abb. 4 bleibt der Spannungsvektor E_JC an den Sekundärklemmen des Transformators 16 unverändert, wenn die Phase B des Netzes inIn Fig. 4, the voltage vector E _JC at the secondary terminals of transformer 16 remains unchanged when phase B of the network is in

der dargestellten Weise Verbindung mit Erde bekommt. Ein Strom I_ac, der hinter dem Spannungsvektor E_rc zurückbleibt, durchfließt die Primärwicklung 26 der Spannungsregelvorrichtung. Die Widerstände 23 und 24 sind so eingestellt, daß die Vektorsumme der Spannungsverluste IX und IR das gewünschte Potential E liefert, das für die richtige Erregung der Spannungswicklungen 11 der Relais notwendig ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der induktive Widerstand 24 an die Transformatorwicklung 25 umgekehrt angeschlossen, um die gewünschte Phasenlage des Vektors E zu erhalten.gets connection with earth in the way shown. A current I _ac , which lags behind the voltage vector E _rc , flows through the primary winding 26 of the voltage regulating device. The resistors 23 and 24 are set so that the vector sum of the voltage losses IX and IR supplies the desired potential E , which is necessary for the correct excitation of the voltage windings 11 of the relay. As can be seen from the drawing, the inductive resistor 24 is reversely connected to the transformer winding 25 in order to obtain the desired phase position of the vector E.

Die Größe und Phasenlage des Vektors E kann nach Wunsch eingeregelt werden durch Einstellung der Widerstände 23 und 24. Wenn der gewünschte Vektor E vorhanden ist, so entspricht die Erregung des Relais 6 derjenigen, die durch unmittelbaren Anschluß des Relais an das Netz erzielt werden würde, ganz unabhängig vom Widerstände oder dem Orte des Erdschlusses. Auf diese Weise wird eine selektive Wirkung der Erdschlußrelais erzielt, ohne daß ein Spannungswandler für die hohen Spannungen des Netzes erforderlich ist.The size and phase position of the vector E can be adjusted as desired by setting the resistors 23 and 24. If the desired vector E is present, the excitation of the relay 6 corresponds to that which would be achieved by directly connecting the relay to the mains, completely independent of the resistance or the location of the earth fault. In this way a selective action of the earth fault relay is achieved without the need for a voltage converter for the high voltages of the network.

In Abb. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, deren Spannungsregelvorrichtung etwas anders geartet ist. Die Spannungswicklungen 11 der Relais 6 sind ebenso wie beim vorigen Beispiel über Spannungswandler 30 an die Niederspannungsseite des Leistungstransformators 4 angeschlossen. Da für die Wicklungen des Transformators 4 die Sterndreieckschaltung gewählt ist, so muß auch die Schaltung des Transformators 30 dem entsprechen.In Fig. 5 an embodiment of the invention is shown, its voltage regulating device is something different. The voltage windings 11 of the relay 6 are also as in the previous example via voltage converter 30 to the low-voltage side of the Power transformer 4 connected. Since for the windings of the transformer 4 the Star-delta connection is selected, the circuit of the transformer 30 must also dem correspond.

Eine Reihe von Transformatoren 31 ist an die Wicklungen des Transformators 30 angeschlossen, und deren Sekundärwicklungen 32 liegen in Reihe mit den Sekundärwicklungen 33 dreier Transformatoren 34 und mit den Spannungswicklungen 11 der Relais 6. Jeder Transformator 34 hat auch eine Primärwicklung 35, die zusammen mit einem in Reihe geschalteten Widerstand 36 parallel zur Primärwicklung des Transformators 31 liegt. Die Transformatoren 31 und die Primärwicklungen 35 des Transformators 34, die je eines der Relais 6 erregen, sind mit den vom Fehler unbetroffenen Phasen des Netzes verbunden.A number of transformers 31 are connected to the windings of transformer 30, and their secondary windings 32 are in series with the secondary windings 33 of three transformers 34 and with the voltage windings 11 of the relays 6. Each transformer 34 also has a primary winding 35, which, together with a series-connected resistor 36 in parallel with the primary winding of the Transformer 31 is located. The transformers 31 and the primary windings 35 of the transformer 34, which each energize one of the relays 6, are with the phases unaffected by the error connected to the network.

Der Kern des Transformators 34 enthält einen Luftspalt 37, so daß der Strom in der Sekundärwicklung 33 des Transformators um etwa 90^: gegen den Strom in der Primärwicklung 35 versetzt ist. Der Strom in der Primärwicklung 35 hat infolge des vorgeschalteten Ohmschen Widerstandes 36 praktisch die gleiche Phase wie die Spannung. Die Windungszahl der Sekundärwicklungen 32 und 33 ist so gewählt, daß die Vektorsumme der an diesen Wicklungen liegenden Spannungen solche Größe und Richtung hat, daß die Erregung der Spannungswicklungen 11 den Phasenspannungen des Netzes 3 entspricht, wie groß auch der Spannungsabfall in dem Leistungstransformator 4 sein möge.The core of the transformer 34 contains an air gap 37 so that the current in the secondary winding 33 of the transformer is offset by approximately 90 ^: against the current in the primary winding 35. The current in the primary winding 35 has practically the same phase as the voltage due to the upstream ohmic resistor 36. The number of turns of the secondary windings 32 and 33 is chosen so that the vector sum of the voltages applied to these windings has such magnitude and direction that the excitation of the voltage windings 11 corresponds to the phase voltages of the network 3, however large the voltage drop in the power transformer 4 may be .

Die Größe der erforderlichen zusätzlichen Spannung kann leicht berechnet werden und beträgt für ein fest geerdetes Netz 19,4 % der Leitungsspannung; diese zusätzliche Spannung ist in Abb. 3 durch die Strecke 0-O₁ dargestellt. Die Transformatoren 31 und 34 können vermittelst eines Voltmeters eingeregelt werden; ist die Einregelung einmal richtig durchgeführt, so bedarf die Vorrichtung keiner weiteren Regelung und liefert richtige Ergebnisse für Erdschlüsse beliebiger Lage und Größe. Die Spannungswicklung 11 jedes Relais wird zusätzlich erregt von denjenigen Phasen, die durch den einphasigen Erdschluß, auf den das betreffende Relais ansprechen soll, nicht betroffen sind. Zum Beispiel spricht das oberste Relais 6 auf Erdschlüsse im Leiter A an, und seine Spannungswicklung 11 ist deshalb über die Transformatoren 31 und 34 mit der Phase A verbunden, wobei aber die Transformatoren 31 und 34, welche die zusätzliche Spannung für das Relais liefern, an die Phasen B und C angeschlossen sind.The amount of additional voltage required can easily be calculated and is 19.4% of the line voltage for a firmly earthed network; this additional voltage is shown in Fig. 3 by the distance 0-O ₁ . The transformers 31 and 34 can be regulated by means of a voltmeter; Once the adjustment has been carried out correctly, the device does not require any further adjustment and provides correct results for earth faults of any position and size. The voltage winding 11 of each relay is additionally excited by those phases which are not affected by the single-phase earth fault to which the relevant relay is to respond. For example, the top relay 6 responds to earth faults in conductor A , and its voltage winding 11 is therefore connected to phase A via transformers 31 and 34, but with transformers 31 and 34, which supply the additional voltage for the relay, on phases B and C are connected.

Claims

Patent claims:

1. Device for the protection of high-voltage networks with an earthed neutral point, especially of three-phase networks, against earth faults, with the voltage windings the trip relay from the voltage between an outer conductor and earth of the low-voltage side of a power transformer are fed, characterized in that the difference in the zero point shifts on the primary and secondary side of the power transformer is balanced by the fact that the voltage winding the trip relay one of the voltage between two other outer conductors of the low voltage side of the power transformer dependent additional voltage is supplied.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the leads to the voltage coils (11) of the trip relays

(6) Resistances and reactive resistances (23, 24) are generated by the secondary current of voltage transformers through which the primary windings (26) are fed from the power transformer (4) (Fig. 1).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that in the leads to the voltage coils (11) of the trip relays

(6) the secondary windings (33) of transformers (34) are located, the cores of which are a Have an air gap (Fig. 5).

4. Apparatus according to claim 2, characterized in that in series with the Voltage coil (11) of each trip relay (6) the secondary windings (32, 33) of several transformers (31, 34) are located, which secondary voltages result with different phase positions.

For this purpose ι sheet of drawings